Hoe kunnen we planeten vinden buiten ons zonnestelsel?

Zoekend naar het vuurvliegje dichtbij een vuurtoren.

Vorige maand schreef ik in mijn blog over de lancering van de James Webb-ruimtetelescoop. Een van de belangrijkste wetenschappelijke doelen van Webb wordt het bestuderen van de atmosferen van exoplaneten op zoek naar biosignaturen; de zogenaamde bouwstenen van leven. Dit is super cool natuurlijk! Maar voordat we deze zogenaamde biosignaturen kunnen vinden, moeten we eerst deze exoplaneten opsporen. Aangezien ik dit semester begeleider ben bij een vak dat High contrast imaging heet, leek het me leuk om eens wat meer uit te leggen over hoe we exoplaneten die ver, ver weg van ons zonnestelsel rond sterren draaien kunnen opsporen.

Als je goed hebt opgelet bij het astronomische nieuws, dan heb je misschien de krantenkoppen gezien met “NASA's Transiting Exoplanet Survey Satellite (TESS) heeft meer dan 5000 potentiële buitenaardse werelden geïdentificeerd”. Maar hoe kan het dan dat de teller van bevestigde ontdekkingen van exoplaneten door astronomen slechts op 4908 staat? Nou, om een potentiële buitenaardse wereld een exoplaneet te noemen, moet ten minste door twee detectiemethoden het bestaan ervan worden bevestigd. Wanneer planeten worden geïdentificeerd door slechts één enkele detectie, noemen we ze kandidaat-exoplaneten.
Er zijn twee goed werkende detectiemethoden;

• Transit methode; wanneer een planeet om een ster draait, dimt hij het licht van de ster met een meetbare hoeveelheid wanneer hij voor de ster langs trekt.
• Radiale snelheid methode; sterren beginnen te wiebelen rond het massamiddelpunt van hun sterstelsel als gevolg van (een) planeet(sen) die rond de middelste ster draait (draaien).¹

Waarom is het zo moeilijk om een exoplaneet te vinden? Niet alleen staan ze heel ver weg, ze staan ook heel dicht bij een superheldere ster. Je kunt het waarnemen van een exoplaneet vergelijken met het zoeken naar een vuurvliegje, dat in het noorden van Noorwegen rond het licht van een vuurtoren cirkelt terwijl je in het zuidelijkste deel van Spanje staat. Voor een professionele telescoop ligt de uitdaging niet zozeer in het waarnemen van kleinere objecten op deze grotere afstanden. De echte uitdaging is het waarnemen van de vuurvlieg zonder dat we het licht van de vuurtoren kunnen uitzetten.

Als je erover nadenkt: de twee belangrijkste detectiemethoden die hierboven zijn genoemd, zijn beide indirecte detectiemethoden. Wat ik daarmee bedoel is dat de planeten niet worden gedetecteerd door een foto te maken, maar we kunnen ze alleen vinden dankzij het effect dat zij hebben op de ster.

Als er maar een manier was om de verblindende glans van de ster tijdens een waarneming te dimmen, zouden we in feite een foto van de exoplaneten zelf kunnen maken. Dit is de basis voor een andere detectietechniek, de zogenaamde Direct imaging. De verhouding tussen de flux van de ster en de flux van de planeet noemen we de contrastverhouding. Daarom wordt directe beeldvorming ook wel “High contrast imaging” of HCI genoemd.



Coronagrafen en hun gebruik in HCI • Een van de belangrijke instrumenten van Webb, MIRI, kan gebruik maken van vier afzonderlijke coronagrafen. Een van de coronagrafen is gebaseerd op het zogenaamde Lyot-ontwerp; een typisch, klassiek type van een coronagraaf. De Lyot-coronagraaf gebruikt een kleine metalen schijf om het grootste deel van het licht van de centrale heldere ster in het eerste focusvlak van het instrument te blokkeren. Het licht van de ster wordt gebundeld rond de randen van de lenspupil en vormt ringen rond de rand van het diafragmabeeld. Daarna blokkeert een Lyot-stop de resterende ringen van licht afkomstig van de centrale ster, terwijl licht afkomstig van objecten naast de ster wordt doorgelaten naar het uiteindelijke beeld op de camera.²

Is het je opgevallen dat de afbeeldingen die door spiegeltelescopen worden gemaakt, geen gaten of schaduwen vertonen? Een vraag voor jou om het principe van een coronagraaf te begrijpen zou kunnen zijn: Wat is het verschil tussen een occulting spot, onderdeel van een Lyot coronagraaf, en een secundaire spiegel die boven een primaire spiegel is geplaatst en een bepaald deel van de hemel blokkeert?

Lichtstralen van de niet geblokkeerde delen van een primaire spiegel worden allemaal bij elkaar opgeteld wanneer ze worden scherpgesteld. Het brandpunt ligt niet op de blokkade, maar op de hemel, ver, ver weg. Als je dit wilt voorstellen, kun je het volgende experiment eens proberen. Kijk met je beide ogen naar een voorwerp of muur op een afstand van ongeveer 5 meter. Strek je armen naar voren en wijs met je wijsvinger naar boven. Als je focust op de muur merk je dat je de hele muur kunt zien, ook al staat je vinger er recht voor. Als je focust op je vinger dichtbij, zul je zien dat je de achtergrond niet meer kunt zien. Kun je de vraag beantwoorden? Wat is het verschil?

¹ Tot en met 2014 was dit de meest toegepaste methode om exoplaneten te vinden. Na de lancering van het Kepler (ruimteobservatorium) werden veel meer planeten gevonden met de Transit-methode, waardoor de Transit-methode tegenwoordig de belangrijkste methode is om exoplaneten op te sporen.
²Dit is een voorbeeld van een Lyot-coronagraaf. Dit type coronagraaf kan geen hoog contrast bereiken voor objecten zeer dicht bij een ster. Verbeteringen van dit oorspronkelijke concept hebben echter geleid tot vele coronagraafontwerpen die planeten kunnen ontdekken die erg dicht bij een ster staan.